WO2022037748A1 - Vorrichtung zur simulation, zum trainieren, unterrichten und/oder evaluieren von operationstechniken - Google Patents

Vorrichtung zur simulation, zum trainieren, unterrichten und/oder evaluieren von operationstechniken Download PDF

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WO2022037748A1
WO2022037748A1 PCT/DE2021/100706 DE2021100706W WO2022037748A1 WO 2022037748 A1 WO2022037748 A1 WO 2022037748A1 DE 2021100706 W DE2021100706 W DE 2021100706W WO 2022037748 A1 WO2022037748 A1 WO 2022037748A1
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WO
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matrix
transparent
anatomy model
model
components
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Application number
PCT/DE2021/100706
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English (en)
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Inventor
Stuart SCHMIDT
Original Assignee
Schmidt Stuart
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Publication date
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    • G—PHYSICS
    • G09—EDUCATION; CRYPTOGRAPHY; DISPLAY; ADVERTISING; SEALS
    • G09B—EDUCATIONAL OR DEMONSTRATION APPLIANCES; APPLIANCES FOR TEACHING, OR COMMUNICATING WITH, THE BLIND, DEAF OR MUTE; MODELS; PLANETARIA; GLOBES; MAPS; DIAGRAMS
    • G09B23/00—Models for scientific, medical, or mathematical purposes, e.g. full-sized devices for demonstration purposes
    • G09B23/28—Models for scientific, medical, or mathematical purposes, e.g. full-sized devices for demonstration purposes for medicine
    • G09B23/30—Anatomical models
    • G09B23/34—Anatomical models with removable parts

Definitions

  • the present invention relates to a device for simulating, training, teaching and/or evaluating surgical techniques, in particular for spinal surgery, comprising at least one matrix imitating human or animal tissue, an anatomy model composed of at least two components, in particular a bone model, which in embedded in the matrix, and at least one optical detection system, wherein the optical detection system visualizes a movement of the components, in particular during manual intervention in the anatomy model, on at least one display device according to claim 1 and a training kit for simulation, for training, teaching and/or Evaluating surgical techniques according to claim 10.
  • thoracolumbar pedicle screw stabilization which mainly uses freehand, fluoroscopic guidance and stereotactic navigation
  • the placement of thoracic pedicle screws is difficult due to the narrowest pedicles in height (T3-T9) and the reduced space between the medial border of the pedicle and the spinal cord poses an extremely high risk to the patient.
  • a further complication is that the anatomy of the pedicle can be significantly altered compared to the normal anatomy for each patient, for example due to scoliosis or asymmetric compression of the vertebrae, which poses a great challenge for screw placement. The same applies to anatomical malpositions of the entire skeletal system.
  • the object of the present invention is to create a device with which an operative intervention can be individually planned and practiced by passing screws or pins through the skin into the bones, for example, with deformations of the skeletal apparatus being able to be taken into account in particular.
  • the object of the present invention to create a reusable and therefore cost-effective simulation model. The above object is achieved by a device having the features of claim 1 and by a training kit having the features of claim 10. Further advantages, features and details of the invention result from the dependent claims, the description and the drawings.
  • the device according to the invention for simulating, training, teaching and/or evaluating surgical techniques, in particular for spinal surgery according to claim 1, allows the surgeon to train without exposure to radiation under conditions that are approximately identical to the planned operation on a patient. This is achieved on the one hand by the matrix imitating human or animal tissue and on the other hand by an anatomy model composed of at least two components, which advantageously individually reproduces the anatomy of the patient's skeletal system.
  • a bone model for example a spinal column model with or without intervertebral discs
  • the anatomy model is preferably created individually, namely on the basis of imaging examination results on the patient, for example by MRT, CT, X-ray or scintigraphic examinations.
  • the individual anatomy model can preferably be created on the basis of these examination results, in which case deformations and malpositions of the skeletal apparatus can of course be depicted.
  • the anatomy model can be created, for example, in a 3D printing process based on the image files from the imaging examinations and inserted into the tissue-simulating matrix.
  • the matrix can have different consistencies and/or material properties and can be created in several layers, so that, for example, an upper skin layer and an underlying tissue layer are imitated by the matrix in order to show the surgeon or the student the different resistances between these layers when and performing of To convey screws or pins plastically, ie true to the original, namely the haptics of the patient to be operated on.
  • markers are advantageously arranged on the components.
  • a rod is arranged on each bony spinal column component, namely on the individual vertebrae, so that a marker is advantageously arranged on each cathedral process of each vertebra, with the markers being either completely embedded in the matrix with the anatomy model or these can partially protrude posteriorly from the matrix.
  • the markers are preferably detected by at least one optical detection system, so that a movement of the components, in particular during manual intervention in the anatomy model, is tracked via the detection system using the markers and on at least one display device, such as a monitor or a display of a mobile device be visualized.
  • a camera of a mobile electronic device such as the camera of a smartphone or a tablet, can serve as the optical detection system.
  • a depth camera system is advantageously suitable, via which the movement of each individual bony spinal column component can be tracked.
  • several depth cameras can also record images from different positions relative to the anatomy model and, in the sense of the present invention, can be referred to as an optical detection system comprising at least two cameras.
  • the data obtained can be processed and visualized on the mobile device itself or mirrored to an external monitor via cable, Wi-Fi or other data transmission paths.
  • an external camera or depth camera system connected to a computer and displaying on the monitor of the computer or on a monitor of a computer connected to the computer via a network, thereby advantageously training or simulating at the inventive z device can also be tracked via an external workstation.
  • the device according to the invention can also be used without markers in order to generate a three-dimensional physical X-ray image by transillumination of the transparent spine in the transparent matrix.
  • the x-ray effect can be further intensified by means of software image post-processing or color pigmentation of the matrix or the spinal column model.
  • Without a marker it is not possible to have any virtual spatially oriented view (e.g. axial) with only an example lateral recording using a camera, but without a marker it is also possible to see the screw position or pin position from above (posterior to anterior) even without the camera recording from above and follow the lateral position on the screen.
  • the matrix preferably consists of at least one reversibly liquefiable and hardening colorless or colored material or a combination of at least two of the aforementioned materials. It is advantageous to be able to reuse the matrix after a training intervention, namely to prepare for an operation and for the purpose of training, and to be able to remove the anatomy model used from the matrix imitating human or animal tissue and replace it with a new model at least one material can be reversibly liquefied, for example by supplying heat or by adding a substance which causes the matrix to liquefy.
  • the previously liquefied material of the matrix can advantageously be hardened again, for example by removing heat or by using a substance that brings about crosslinking or hardening of the matrix.
  • the cured material should be at least partially transparent.
  • the following materials, which are not exhaustively listed, should be mentioned as further materials that can be used in addition to the material mentioned to form the matrix, such as color pigments, stabilizers, plasticizers and, for example, crosslinkers.
  • the anatomy model is preferably also designed to be transparent, at least in sections, in order to be able to transilluminate it, for example.
  • the anatomy model can be made of a transparent material or a combination of at least two materials, with at least one material being transparent.
  • materials for the anatomy model materials for 3D printing such as ABS, FDM, polylactic acid or PLA, which, in contrast to ABS, are biodegradable because they are made from renewable raw materials (corn starch), PET, PETG, Polycarbonate (PC), nylon, hybrid materials, alumide, flexible materials or a combination of the materials not listed here exhaustively, i.e. all materials or combinations of materials that are suitable for 3D printing.
  • An epoxy resin mixed with a plasticizer/flexibilizer is particularly suitable for the transparent models.
  • a composite of colorless epoxy resin, plasticizer and a powdered source of calcium can also be used for the non-transparent bone-colored models.
  • a marker-tracked application in a colored or colorless matrix it does not matter whether the vortex material is transparent, milky or colored, since every view can be reproduced virtually.
  • the models are produced by means of a molding process or, for example, in a milling process.
  • the anatomy model may not be transparent throughout, in which case the position of the vertebral bodies, instruments and implants can be visualized on the screen.
  • the matrix cannot be transparent either, and transillumination is not necessary.
  • the term “transparency” should be understood in relation to the design of the matrix and the anatomy model, preferably in a physical sense, with the permeability being understood in relation to electromagnetic waves, in particular light.
  • the term “transparency” within the meaning of the present invention should also be understood as elements of an image file in a computer graphic that appear translucent. If, instead of or in addition to the optical detection system, an acoustic detection system is also used in the device according to the invention, which acoustically supports the setting of the screws or pins, for example, the “transparency” feature in the context of the present invention means the ability to distinguish between successive tones.
  • the device according to the invention advantageously comprises at least one light source, preferably an RGB LED light source, with which at least the transparent sections of the matrix or the transparent sections of the anatomy model can be transilluminated. Because of the different refractive indices of the transparent sections of the anatomy model, the transparent sections of the matrix and because of the opacity of the implants and instruments used, a three-dimensional X-ray image of the anatomy model can advantageously be visualized without actually using X-rays.
  • at least one light source preferably an RGB LED light source
  • the visualization on a monitor or display can advantageously be further intensified after prior image post-processing using a software solution.
  • the matrix is advantageously colored by means of colorants.
  • the matrix is particularly preferably blackened using a black colorant or colored using a blue colorant.
  • all high-contrast strong colors can be used to enhance the X-ray effect. Any coloring of the matrix is conceivable, in particular also due to the software post-processing, since the color can be recognized by the software and this can easily be exchanged virtually. Colored areas of the matrix can also be hidden using the software and replaced with other image components or backgrounds.
  • the matrix is advantageously offered from a prefabricated mixture of substances.
  • the mixture of substances can then be processed into a suspension, preferably by adding liquid, preferably water, which is poured into a heating container, for example, in order to then change the aggregate state of the suspension to form the matrix by supplying energy and subsequently dissipating energy.
  • the state of aggregation of the suspension can also be changed into the jelly-like matrix imitating body tissue, for example by adding at least one crosslinking agent to the suspension Substance or a mixture of substances and / or in conjunction with a plasticizer.
  • the anatomy model can be placed in the suspension when the device is used for the first time and then embedded in the matrix by the measures described above for changing the aggregate state of the suspension.
  • it can advantageously be lifted in whole or in part from the matrix liquefied by the supply of energy or by other measures, and a new anatomy model or partially used parts of the previously used anatomy model can be exchanged and placed in the liquefied matrix in order to avoid them can then be used again for further training with the inserted anatomy model.
  • This process can be repeated as often as desired, so that the costs of the device according to the invention can be significantly reduced compared to the costs for the known devices by reusing the matrix.
  • Another aspect of the present invention is a training kit for simulating, training, teaching and/or evaluating surgical techniques, in particular for spinal surgery, with the device according to the invention, comprising at least one or more mold and/or heat containers, at least one of at least two Anatomical model composed of components, wherein the components are made of a transparent and/or colored material at least in sections, and at least one transparent matrix imitating human or animal tissue, in particular in the form of a substance mixture with a predetermined mixing ratio.
  • Known food warmers can be used as warming containers, or warming containers which, like the known food warmers, can be are built.
  • the liquefied matrix or the prepared suspension can preferably be cured in the heating container or by pouring the liquefied matrix or the heated suspension into a mold box in the latter.
  • the anatomy model is inserted into the liquefied matrix or the suspension in the heating container or in the molding box and is embedded in the matrix as it hardens.
  • the training kit according to the invention preferably comprises markers which can be arranged on the components of the anatomy model, so that the position of each component can be determined specifically based on the marker arranged on the component using a detection system which detects the markers.
  • An additional aspect of the present invention is a method for producing the device according to the invention, in which case the anatomy model can be produced individually on the basis of imaging examinations and can be placed in a matrix imitating human or animal tissue.
  • the matrix with the anatomy model inserted therein, i.e. the device according to the invention, can preferably be produced as follows:
  • a heating container for example a food warmer, in which the mold for the matrix with the inserted anatomy model is advantageously also placed, is filled with water.
  • This shape for example a gastro container, is advantageously adapted to the size of the anatomy model and is thus heated by means of a water bath.
  • this mold is filled with the proportion of water required for the desired matrix volume.
  • the mixture of substances for producing the matrix is then mixed with the water in the mold to form a suspension, heated to advantageously 85° C., and the anatomy model is placed in the still liquid suspension.
  • a silicone hose can be inserted in the spinal cord area into the spinal column model Liquid is filled under pressure, pushed.
  • the silicone tube is part of the training kit according to the invention or the device according to the invention if a spinal column model is used as the anatomy model.
  • a spinal column model is used as the anatomy model.
  • the suspension cools, its physical state changes from a liquid suspension to a jelly- or jelly-like matrix that mimics human or animal tissue.
  • the matrix is made up of several layers, one or more layers of liquefied matrix are advantageously applied to the matrix solidified with the embedded anatomy model and these are allowed to harden. Instead of a liquid second e.g. After the simulation or training on the anatomy model, the separately applied layer can then be removed again in order to liquefy the matrix with the model embedded therein in order to replace the model.
  • This process preferably takes place in the heat container, but alternatively a molding box can also be used, in which the liquefied Matrix or the suspension is cast for hardening with the anatomy model inserted therein.
  • the molding box, the mold container or the heating container is designed to be transparent, the matrix with the anatomy model embedded therein can remain in it in order to train on it and to be able to display the X-ray effects mentioned.
  • the matrix is made in a stainless steel heating bath or stainless steel container, it is advantageous to remove the matrix with the embedded anatomy model from the bath or container in order to train on it.
  • the matrix advantageously consists of a prefabricated mixture of substances, or a selection of mixtures of substances, which only have to be poured into the mold container previously filled with water, which is located in the water-filled heating container.
  • the user only has to consider the volume ratio of the water to the mixture of substances.
  • the substance mixture must swell briefly in cold water or in a cool environment due to the swelling ingredient.
  • the swelling can preferably take place as described above by thermal action in a heat container.
  • the user must mix the prefabricated substance mixture with cold water, let it swell briefly and then heat it in the same container/food warmer container until it liquefies. Then the new model can be used.
  • the matrix is made of a transparent, elastic plastic, this cool environment/cool water is of course not necessary.
  • the finished matrix can also be delivered directly with a first model embedded in it. In this way, the user saves the initial processing with the mixture of substances.
  • the training kit or the device according to the invention can already include various pathology models, such as pathological spines with osteophytes, fractures, spondylolisthesis or scoliosis.
  • pathology models such as pathological spines with osteophytes, fractures, spondylolisthesis or scoliosis.
  • elastic adhesive connections of the individual vertebral bodies at their facet joints are advantageously suitable.
  • a further aspect of the present invention is a method for simulating, for training, teaching and/or evaluating surgical techniques using the device according to the invention and/or the training kit according to the invention.
  • 1 in a perspective view an embodiment of a device according to the invention with a spinal column model of the lower spine with pelvic girdle embedded in a matrix
  • 2 in a perspective view A from the front and B obliquely in a plan view from the front, a component with a marker, and
  • FIG 3 shows a perspective view of a used training kit that is recycled in a heat container.
  • the surgical training simulator consists of a transparent or colored spinal column anatomy pathology model 1, which is embedded in a transparent or colored transparent matrix 2 imitating human tissue.
  • Each bony spinal column component 7 of the anatomy model 1 has a rod on whose dome process 3 a marker 3 (see detailed view FIG. 2) is arranged and can be specifically assigned to the spinal column component 7 .
  • the markers 3 partially protrude from the matrix 2 in a posterior direction. Contrary to what is shown, the markers 3 can also be arranged in an anterior position on the spinal column components 7 .
  • any position of the marker 3 on the spinal column component 7 is conceivable as long as the marker 3 can be detected optically and other views of the component 7 can be calculated and visualized from the known position of the marker 3 on the component 7 .
  • the marker 3 is detected or tracked with the position of the component 7, for example as in FIG. 2A, and this can then be visualized as in the position or rotation shown in FIG. 2B.
  • Any visualization of the component 7 stretched using the marker 3 can be displayed or calculated using software.
  • the markers 3 are advantageously individualized by a QR code or another icon.
  • a depth camera system as an optical detection system 4 in the form of a mobile terminal device, here in the form of a smartphone, is on a tripod 5 in front of the anatomy model 1 embedded in the matrix 2 arranged.
  • the arrangement of a camera that can be moved on a rail is conceivable (not shown here).
  • the depth camera system 4 With the depth camera system 4, the movement of each individual bony spinal column component 7 and the movement of an instrument provided with a marker 3, for example a screw or a pin, can be tracked.
  • a marker 3 for example a screw or a pin
  • further depth cameras 4 for example in the form of several smartphones, can also be installed, which together supply the images of the spinal column components 7 and/or the instrument using the markers 3 arranged thereon.
  • the data obtained can be processed and visualized on the smartphone device itself or mirrored to an external monitor via cable or Wi-Fi.
  • the visualization can be done on a computer with an external camera or depth camera.
  • the recordings by the depth cameras 4 follow the basic principle described below.
  • the one or more cameras 4 record the lateral view of the spine model and track the markers 3 assigned to the spine components 7 and output a matching virtual axial view of the desired spine component 7 on the display device.
  • This conversion of the lateral view into the axial view enables a better estimation of exactly where the pedicle screw or a pin needs to be set.
  • the virtual lateral or axial view of the vertebral body or component 7 can be faded in and out as desired.
  • the markers 3 thus always indicate the position of a vertebral body or an instrument on which a marker 3 is advantageously also arranged.
  • a marker 3 can also be arranged on a pedicle screw or on a pin, or on instruments with which an intervention in the anatomy model is carried out, which can be tracked by the camera system 4 and via a matching virtual model can be rendered on the display device or a screen.
  • filters or combinations of filters are also conceivable in order to display a virtual model, preferably with a visualized X-ray effect, on a display device.
  • a realistic X-ray effect can be achieved using the black and white or another high-contrast filter in combination with the transparent matrix and the RGB LED emitter 6 through different light refraction between the matrix 2 and the transparent spine model 1 .
  • the X-ray effect is therefore advantageously produced when the matrix 2, which imitates tissue, is illuminated with white, green or blue light and the light refraction on the transparent spine model 1 is different from the refraction of the light on the matrix 2.
  • all light sources such as LEDs can be used for this , RGB-LED, halogen or, for example, neon or a combination of the light sources not listed exhaustively above, i.e. white or colored light sources of any kind, are possible.
  • the transparent matrix 2 can be tinted black or blue or another color by means of a dye, ie it can be tinted black or blue or another color.
  • a dye ie it can be tinted black or blue or another color.
  • all dark, strong shades of the matrix 2, for example green or violet can be used.
  • a black, blue or violet tint of the matrix 2 has the advantage that the matrix 2 with the anatomy model embedded therein appears like a three-dimensional X-ray image to touch even without image post-processing and without camera-supported visualization.
  • An x-ray effect can also be achieved using an x-ray camera filter, which has already been explained in more detail. In combination with the methods mentioned above, the X-ray effect can be intensified.
  • the transparent, uncolored matrix 2 can also be transilluminated using, for example, purple or dark blue light.
  • a further X-ray effect can be produced by darkening the mold box, mold container or heating container and illuminating it with an LED emitter 6 or another light source.
  • the transparent anatomical model 1 embedded in a transparent matrix 2 in the molding box, mold container or heat container then appears in a 3D x-ray effect.
  • FIG. 3 shows the exemplary embodiment illustrated and used in FIG having embedded therein anatomy model 1 is recycled.
  • the heating bath 11 is heated by means of the heating container 9, as a result of which the matrix 2 placed in the mold container 8 liquefies.
  • the anatomy model 1 or the components used 7 can be lifted from the liquefied matrix 2 and the mold container 8 and can be replaced by a new one Model 1 or new components 7 are replaced by inserting them into the liquid matrix 2, ie into the matrix 2 liquefied into a suspension.
  • the matrix 2 changes the state of aggregation from liquid to solid, so that the new anatomy model 1 or the replaced components 7 are embedded in the solidified matrix 2 .
  • the solidified matrix 2 with the anatomy model 1 embedded therein can now be removed from the mold container 8 for the next training session or a simulation. This process can be repeated as often as you like.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Simulation, zum Trainieren, Unterrichten und/oder Evaluieren von Operationstechniken, insbesondere für die Wirbelsäulenchirurgie, umfassend, zumindest eine menschliche oder tierische Gewebe nachahmende Matrix, ein aus zumindest zwei Komponenten zusammengesetztes Anatomiemodell, insbesondere ein Knochenmodell, welches in der Matrix eingebettet ist, und wenigstens ein optisches Erfassungssystem, wobei das optische Erfassungssystem eine Bewegung der Komponenten, insbesondere bei einem manuellen Eingriff in das Anatomiemodell, verfolgt und auf zumindest einem Anzeigegerät visualisiert.

Description

Vorrichtung zur Simulation, zum Trainieren, Unterrichten und/oder Evaluieren von Operationstechniken
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Simulation, zum Trainieren, Unterrichten und/oder Evaluieren von Operationstechniken, insbesondere für die Wirbelsäulenchirurgie, umfassend, zumindest eine menschliche oder tierische Gewebe nachahmende Matrix, ein aus zumindest zwei Komponenten zusammengesetztes Anatomiemodell, insbesondere ein Knochenmodell, welches in der Matrix eingebettet ist, und wenigstens ein optisches Erfassungssystem, wobei das optische Erfassungssystem eine Bewegung der Komponenten, insbesondere bei einem manuellen Eingriff in das Anatomiemodell, auf zumindest einem Anzeigegerät visualisiert nach Anspruch 1 sowie ein Trainingskit zur Simulation, zum Trainieren, Unterrichten und/oder Evaluieren von Operationstechniken nach Anspruch 10.
Das klinische Umfeld stützt sich vorwiegend auf anatomische Ausbildungsund Lehrmodelle. In der Wirbelsäulenchirurgie zeigt sich die zunehmende Prävalenz von chronischen Rückenschmerzen aufgrund von Bandscheibendegenerationen, skoliotischen Deformitäten oder Frakturen, welche operative Stabilisierungen der Wirbelsäule durch beispielsweise die Platzierung von Pedikelschrauben erforderlich machen. Auch Indikationen wie offene Frakturen mit Weichteilschädigungen, Trümmerfrakturen, Luxationen (Ellbogen, Knie), Arthrodesen, z. B. am Kniegelenk als gelenkübergreifender Fixateur externe, Frakturen der Halswirbelsäule (Halofixateur) oder Kallusdistraktion, evtl, mit Segmenttransport Knochenfrakturen des Skelettsystems machen die Stabilisierung mittels eines Fixateur externe mittels der Durchführung von Pins durch die Haut in den Knochen notwendig.
Insbesondere bei der gegenwärtigen thorakolumbalen Pedikelschrauben- Stabilisierung, bei der hauptsächlich Freihand-, Durchleuchtungsführung und stereotaktische Navigation eingesetzt werden, ist die Platzierung von Thora- kal-Pedikelschrauben aufgrund der schmälsten Pedikel in der Höhe (T3-T9) und des verringerten Raums zwischen der medialen Grenze des Pedikels und dem Rückenmark mit einem extrem großen Risiko für den Patienten verbunden. Erschwerend kommt hinzu, dass individuell für jeden Patienten die Anatomie des Pedikels beispielsweise durch Skoliose oder eine asymmetrische Kompression der Wirbel gegenüber der normalen Anatomie erheblich verändert sein kann, was eine hohe Herausforderung für die Schraubenplatzierung darstellt. Das Gleiche gilt bei anatomischen Fehlstellungen des gesamten Skelettsystems.
Chirurgen haben daher nur einen relativ geringen Spielraum für Fehler, da insbesondere im Bereich der Wirbelsäule fehlgeleitete Schrauben das Rückenmark und die Gefäße verletzen können. Anhand der standardisierten anatomischen Ausbildungs- und Lehrmodelle sind anatomische Fehlstellungen des Skelettsystems und insbesondere der Wirbelsäule nicht abbildbar, weshalb sich die bekannten Ausbildungs- und Anatomiemodelle nur bedingt bei der Vorbereitung auf einen operativen Eingriff, bei dem Pins oder Schrauben durch die Haut in den Knochen geführt werden, eignen. Zudem ist bei den bekannten Anatomiemodellen nachteilig, dass diese nach einem Trainingseingriff kostenintensiv wieder aufbereitet werden müssen, oder diese sogar nur für das einmalige Training geeignet sind.
Offenbarung der Erfindung
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung die bekannten Simulationsmodelle zumindest teilweise zu verbessern. Insbesondere ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung zu schaffen, mit der ein operativer Eingriff mittels Durchführung von beispielsweise Schrauben oder Pins durch die Haut in den Knochen individuell geplant und geübt werden kann, wobei insbesondere Deformationen des Skelettapparates berücksichtigt werden können. Zudem ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein wiederverwendbares und damit kostengünstiges Simulationsmodell zu schaffen. Die voranstehende Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch ein Trainingskit mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. Weitere Vorteile, Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Simulation, zum Trainieren, Unterrichten und/oder Evaluieren von Operationstechniken, insbesondere für die Wirbelsäulenchirurgie gemäß Anspruch 1 ermöglicht es dem Chirurgen, ohne Strahlenbelastung zu trainieren und zwar unter annähernd mit der geplanten Operation an einem Patienten identischen Bedingungen. Dies wird erreicht zum einen durch die menschliche oder tierische Gewebe nachahmende Matrix und zum anderen durch ein aus zumindest zwei Komponenten zusammengesetztes Anatomiemodell, welches vorteilhaft der Anatomie des Skelettsystems des Patienten individuell nachgebildet.
Im Sinne eines „Anatomiemodells“ soll gemäß der vorliegenden Erfindung ein Knochenmodell, beispielsweise ein Wirbelsäulenmodell mit oder ohne Bandscheiben verstanden werden. Vorzugsweise ist das Anatomiemodell individuell erstellt, nämlich anhand von bildgebenden Untersuchungsergebnissen am Patienten, beispielsweise durch MRT-, CT-, Röntgen- oder Szintigraphieuntersuchungen. Anhand dieser Untersuchungsergebnisse kann vorzugsweise das individuelle Anatomiemodell erstellt werden, wobei natürlich Deformationen und Fehlstellungen des Skelettapparates abgebildet werden können. Das Anatomiemodell kann beispielsweise in einem 3D-Druckverfahren unter Zugrundelegung der Bilddateien aus den bildgebenden Untersuchungen erstellt und in die gewebenachahmende Matrix eingelegt werden. Die Matrix kann unterschiedliche Konsistenzen und/oder Stoffeigenschaften aufweisen, und in mehreren Schichten erstellt werden, so dass beispielsweise eine obere Hautschicht und eine darunter liegende Gewebeschicht durch die Matrix nachgeahmt werden, um dem Operateur oder dem Schüler die zwischen diesen Schichten unterschiedlichen Widerstände beim Ein- und Durchführen von Schrauben oder Pins plastisch, d.h. originalgetreu, nämlich der Haptik des zu operierenden Patienten entsprechend, vermitteln zu können.
Um die Führung der Schrauben oder Pins und die Bewegung des Anatomiemodells bei dem trainierten Eingriff auf einem Anzeigegerät darstellen zu können, sind an den Komponenten vorteilhaft Marker angeordnet. Im Falle eines Wirbelsäulen-Anatomiemodells ist an jeder knöchernen Wirbelsäulenkomponente, nämlich an den einzelnen Wirbeln jeweils ein Stab angeordnet, so dass vorteilhaft an jedem Domfortsatz jedes Wirbels ein Marker angeordnet ist, wobei die Marker sowohl komplett mit dem Anatomiemodell in die Matrix eingebettet sein können oder diese teilweise aus der Matrix nach posterior herausragen können. Die Marker werden vorzugsweise von wenigstens einem optischen Erfassungssystem erfasst, so dass über das Erfassungssystem eine Bewegung der Komponenten, insbesondere bei einem manuellen Eingriff in das Anatomiemodell, anhand der Marker verfolgt und auf zumindest einem Anzeigegerät, wie beispielsweise einem Monitor oder einem Display eines mobilen Gerätes visualisiert werden. Als optisches Erfassungssystem kann beispielsweise eine Kamera eines mobilen elektronischen Gerätes, wie beispielweise die Kamera eines Smartphones oder eines Tablets dienen. Vorteilhaft eignet sich ein Tiefenkamerasystem, über das die Bewegung jeder einzelner knöcherner Wirbelsäulenkomponenten verfolgt werden kann. Es können aber auch mehrere Tiefenkameras aus verschiedenen Positionen relativ zum Anatomiemodell Bilder aufnehmen und im Sinne der vorliegenden als optisches Erfassungssystem umfassend wenigstens zwei Kameras bezeichnet werden. Die Verarbeitung und Visualisierung der gewonnenen Daten kann auf dem mobilen Gerät selbst erfolgen oder über Kabel, Wi-Fi oder andere Datenübertragungswege auf einen externen Monitor gespiegelt werden. Es ist auch denkbar ein externes Kamera- oder Tiefenkamerasystem zu verwenden, das mit einem Computer verbunden ist, und die Anzeige auf dem Monitor des Computers oder auf einem Monitor eines mit dem Computer über ein Netzwerk verbundenen Computers erfolgt, wodurch vorteilhaft ein Training oder eine Simulation an der erfindungsgemä- ßen Vorrichtung auch über einem externen Arbeitsplatz verfolgt werden kann. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann auch ohne Marker verwendet werden, um ein dreidimensionales physisches Röntgenbild durch Durchleuchtung der transparenten Wirbelsäule in der transparenten Matrix zu erzeugen. Mittels Software Bildnachbearbeitung oder Farbpigmentierung der Matrix oder des Wirbelsäulenmodells kann der Röntgeneffekt noch verstärkt werden. Ohne Marker ist zwar keine virtuelle beliebige im Raum ausgerichtete Ansicht (z.B. axial) bei lediglich beispielsweiser lateraler Aufnahme mittels Kamera möglich, es ist ohne Marker jedoch auch möglich von oben (posterior nach anterior) auch ohne die Kameraaufnahme von oben die Schraubenposition oder Pinposition zu sehen und am Bildschirm die laterale Position zu verfolgen.
Vorzugsweise besteht die Matrix aus zumindest einem reversibel verflüssigbaren und aushärtenden farblosen oder farbigen Material oder einer Kombination aus zumindest zwei der zuvor genannten Materialien. Um eine Wiederverwendung der Matrix nach einem Trainingseingriff, nämlich der Vorbereitung auf eine Operation und zum Zwecke der Schulung, wiederverwenden zu können und um aus der das menschliche oder tierische Gewebe nachahmenden Matrix das verwendete Anatomiemodell entfernen und dieses durch ein neues Modell ersetzen können, ist vorteilhaft zumindest ein Material reversibel verflüssigbar, beispielsweise durch Zufuhr von Hitze oder durch die Zugabe einer Substanz die eine Verflüssigung der Matrix bewirkt. Nach dem Einsetzen des neuen Modells ist das zuvor verflüssigte Material der Matrix vorteilhaft wieder aushärtbar, beispielsweise durch Entzug von Wärme oder durch eine Substanz, die eine Vernetzung oder eine Aushärtung der Matrix bewirkt. Um eine Durchleuchtung der Matrix zu gewährleisten sollte das ausgehärtete Material zumindest teilweise transparent sein. Als weitere Materialien die ergänzend zu dem genannten Material zur Bildung der Matrix eingesetzt werden können sollen die nicht abschließend aufgezählten folgenden Materialien genannt werden, wie beispielsweise Farbpigmente, Stabilisatoren, Weichmacher und beispielsweise Vernetzer. Vorzugsweise ist auch das Anatomiemodell zumindest abschnittweise transparent ausgestaltet, um dieses beispielsweise Durchleuchten zu können. Wie auch für die Matrix beschrieben, kann das Anatomiemodell aus einem transparenten Material oder einer Kombination aus zumindest zwei Materialien ausgestaltet sein, wobei zumindest ein Material transparent ist. Als Materialien für das Anatomiemodell eigenen sich in besonders bevorzugter Weise Materialien für den 3D-Druck wie beispielsweise ABS, FDM, Polymilchsäure oder PLA, welches im Gegensatz zu ABS biologisch abbaubar, da es aus nachwachsenden Rohstoffen (Maisstärke) hergestellt wird, PET, PETG, Polycarbonat (PC), Nylon, Hybride Materialien, Alumide, flexible Materialien oder eine Kombination aus den nicht abschließend hier aufgezählten Materialien, also insgesamt alle Materialien oder Kombinationen von Materialien, die für den 3D-Druck geeignet sind. Besonders bevorzugt eignet sich für die transparenten Modelle ein Epoxidharz gemischt mit einem Weichma- cher/Flexibilisator. Für die nichttransparenten Knochenfarbigen Modelle kann auch ein Komposit aus farblosem Epoxidharz, Weichmacher und einer Calciumquelle in Pulverform verwendet werden. Für eine Marker getrackte Anwendung in farbiger oder farbloser Matrix spielt es allerdings keine Rolle ob das Wirbelmaterial transparent, milchig oder farbig ist, da sich jede Ansicht virtuell wiedergeben lässt. Ganz besonders vorteilhaft können auch UV aushärtende Flüssigkunststoffe(=Photopolymere) zur Herstellung des Anatomiemodells im 3D Druckverfahren eingesetzt werden, da die mit diesem Material hergestellten Modelle gegenüber den mit oben genannten Materialien hergestellten Modelle eine wesentlich bessere Transparenz aufweisen, wobei auch der massive Kem der mittels Photopolymeren hergestellten Modelle transparent ist. Natürlich ist es für standardisierte oder mittels Bildgebung individualisierte Anatomiemodelle zur Verwendung in der erfindungsgemäßen Vorrichtung auch denkbar, dass die Modelle mittels Formgussverfahren oder beispielsweise in einem Fräsverfahren hergestellt werden. In besonderen Fällen kann das Anatomiemodell durchgehend nicht transparent sein, wobei dann anhand des marker trackings die Postion der Wirbelkörper, Instrumente und Implantate am Bildschirm visualisiert werden kann. In einem solchen Sonderfall kann auch die Matrix nicht transparent sein und Durchleuchtung ist nicht notwendig.
Im Sinne der vorliegenden Erfindung soll der Begriff „Transparenz“ in Bezug auf die Ausbildung der Matrix und des Anatomiemodells vorzugsweise physikalisch verstanden werden, wobei die Durchlässigkeit in Bezug auf elektromagnetische Wellen, insbesondere von Licht verstanden werden soll. Daneben soll der Begriff „Transparenz“ im Sinne der vorliegenden Erfindung auch als durchscheinend wirkende Elemente einer Bilddatei in einer Computergrafik verstanden werden. Wird anstelle oder zusätzlich zu dem optischen Erfassungssystem auch ein akustisches Erfassungssystem in der erfindungsgemäßen Vorrichtung eingesetzt, welches beispielsweise das Setzen der Schrauben oder Pins akustisch unterstützt, wird im Sinne der vorliegenden Erfindung unter dem Merkmal „Transparenz“ die Unterscheidbarkeit aufeinanderfolgender Töne verstanden.
In vorteilhafter Weise umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung zumindest eine Lichtquelle, vorzugsweise eine RGB-LED-Lichtquelle, mit welcher zumindest die transparenten Abschnitte der Matrix oder die transparenten Abschnitte des Anatomiemodells durchleuchtet werden können. Aufgrund der unterschiedlichen Brechungsindizes der transparenten Abschnitte des Anatomiemodells, der transparenten Abschnitte der Matrix und aufgrund der Lichtundurchlässigkeit verwendeter Implantate und Instrumente kann vorteilhaft ein dreidimensionales Röntgenbild des Anatomiemodells visualisiert werden, ohne das tatsächlich Röntgenstrahlen eingesetzt werden. Dies ermöglicht einem Operateur, der es gewohnt ist anhand von Röntgenaufnahmen Schrauben oder Pins zusetzen, in seinem gewohnten Modus zu bleiben, beziehungsweise diesen anhand der erfindungsgemäßen Vorrichtung auf eine Operation, beispielsweise unter einem Röntgen C-Bogen anhand der erfindungsgemäßen Vorrichtung, die eine optische Röntgen-Illusion eines greifbaren plastischen 3D-Anatomiemodells ermöglicht, vorzubereiten, beziehungs- weise die Operation anhand der Vorrichtung zu trainieren. Neben der genannten RGB-LED-Lichtquelle können auch andere Arten von Lichtquellen, wie zum Beispiel Halogenlampen, Neonröhre oder andere Leuchtmittel, die das gesamte Farbspektrum aufweisen können, also weiße oder farbige Lichtquellen jeglicher Art, zur Durchleuchtung des Anatomiemodells und der Matrix verwendet werden.
Zur Verstärkung des optischen Röntgeneffekts kann die Visualisierung auf einem Monitor oder Display vorteilhaft nach vorheriger Bildnachbearbeitung mittels einer Softwarelösung noch verstärkt werden. Soll ein verstärkter optischer Röntgeneffekt bereits im Anatomiemodell bei dessen Durchleuchtung sichtbar sein, ist die Matrix vorteilhaft mittels Farbmitteln gefärbt. Um die bekannten Röntgenaufnahmen naturgetreu nachahmen zu können, ist die Matrix besonders bevorzugt mittels schwarzem Farbmittel geschwärzt oder mittels blauem Farbmittel eingefärbt. Grundsätzlich lassen sich sämtliche kontrastreiche kräftige Farben einsetzen um den Röntgeneffekt noch zu verstärken. Insbesondere auch aufgrund der Softwarenachbearbeitung ist jegliche Färbung der Matrix denkbar, da mittels der Software die Farbe erkennbar und diese einfach virtuell ausgetauscht werden kann. Auch können gefärbte Bereiche der Matrix mittels der Software ausgeblendet werden und durch andere Bildbestandteile oder Hintergründe ersetzt werden.
Um die Herstellung der Matrix für den Anwender zu erleichtern, wird die Matrix vorteilhaft aus einem vorkonfektionierten Stoffgemisch angeboten. Das Stoffgemisch kann dann vorzugsweise durch Zugabe von Flüssigkeit, vorzugsweise Wasser, zu einer Suspension verarbeitet werden, die beispielsweise in einen Wärmebehälter gegossen wird, um dann mittels Energiezufuhr und anschließender Energieabfuhr den Aggregatzustand der Suspension zur Ausbildung der Matrix zu verändern. Natürlich kann der Aggregatzustand der Suspension in die das Körpergewebe nachahmende geleeartige Matrix auch beispielsweise durch Zugabe zumindest eines die Suspension vernetzenden Stoffes oder eines Stoffgemisches und/oder in Verbindung mit einem Weichmacher erfolgen.
Um eine Wiederverwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zu ermöglichen, kann das Anatomiemodell bei einer ersten Verwendung der Vorrichtung in die Suspension eingelegt und dann durch die zuvor beschriebenen Maßnahmen zur Veränderung des Aggregatzustandes der Suspension in die Matrix eingebettet werden. Nach dem Trainieren an dem Anatomiemodell kann dieses vorteilhaft im Ganzen oder auch nur teilweise aus der durch Energiezufuhr oder durch andere Maßnahmen verflüssigten Matrix wieder gehoben und ein neues Anatomiemodell oder teilweise verwendete Teile des zuvor verwendeten Anatomiemodells ausgetauscht und in die verflüssigte Matrix eingelegt werden, um diese dann für ein weiteres Training wieder mit dem eingelegten Anatomiemodell zu verwenden. Dieser Vorgang kann beliebig oft wiederholt werden, so dass durch die Wiederverwendung der Matrix die Kosten der erfindungsgemäßen Vorrichtung gegenüber den Kosten für die bekannten Vorrichtungen erheblich gesenkt werden können.
Ein weiterer Erfindungsaspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Trainingskit zur Simulation, zum Trainieren, Unterrichten und/oder Evaluieren von Operationstechniken, insbesondere für die Wirbelsäulenchirurgie, mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung, umfassend wenigstens ein oder mehrere Form- und/oder Wärmebehälter, zumindest ein aus wenigstens zwei Komponenten zusammengesetztes Anatomiemodell, wobei die Komponenten zumindest abschnittsweise aus einem transparenten und/oder farbigen Material ausgestaltet sind, und zumindest eine menschliche oder tierische Gewebe nachahmende transparente Matrix, insbesondere in Form eines Stoffgemisches mit vorgegebenen Mischungsverhältnis.
Als Wärmebehälter können beispielsweise bekannte Speisenwärmer verwendet werden oder Wärmebehälter, die wie die bekannten Speisenwärmer auf- gebaut sind. Ein Aushärten der verflüssigten Matrix oder der angesetzten Suspension kann vorzugsweise in den Wärmebehälter oder durch Umgießen der verflüssigten Matrix oder der erwärmten Suspension in einen Formkasten in diesem erfolgen. In beiden Fällen ist das Anatomiemodell in dem Wärmebehälter oder in dem Formkasten in die verflüssigte Matrix oder die Suspension eingelegt und wird durch deren Aushärten in die Matrix eingebettet.
Vorzugsweise umfasst das erfindungsgemäße Trainingskit Marker, die an den Komponenten des Anatomiemodells angeordnet werden können, so dass die Position jeder Komponente anhand eines Erfassungssystems, welches die Marker erfasst, spezifisch anhand des an der Komponente angeordneten Markers bestimmt werden kann.
Ein zusätzlicher Erfindungsaspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, wobei das Anatomiemodell individuell anhand von bildgebenden Untersuchungen hergestellt und in eine das menschliche oder tierische Gewebe nachahmende Matrix eingelegt werden kann. Die Matrix mit dem darin eingelegten Anatomiemodell, also die erfindungsgemäße Vorrichtung, kann vorzugsweise wie folgt hergestellt werden:
In einem ersten Schritt wird ein Wärmebehälter, beispielsweise ein Speisenwärmer, in welchen vorteilhaft auch die Form für die Matrix mit dem darin eingelegten Anatomiemodell platziert wird mit Wasser befüllt. Diese Form, beispielsweise ein Gastrobehälter ist vorteilhaft der Größe des Anatomiemodells angepasst und wird so mittels Wasserbad erhitzt. In einem weiteren Schritt wird diese Form mit dem entsprechenden Anteil an Wasser befüllt, der für das gewünschte Matrixvolumen notwendig ist. Anschließend wird das Stoffgemisch zur Herstellung der Matrix mit dem Wasser in der Form zu einer Suspension verrührt, erhitzt, bis vorteilhaft auf 85°C, und in die noch flüssige Suspension das Anatomiemodell eingelegt. Zur Darstellung des Liquor- oder Spinalkanals in einem Wirbelsäulenmodell, kann im Bereich des Rückenmarks in das Wirbelsäulenmodell noch ein Silikonschlauch, der vorteilhaft mit Flüssigkeit unter Überdruck befüllt ist, geschoben werden. Der Silikonschlauch ist Teil des erfindungsgemäßen Trainingskits bzw. der erfindungsgemäßen Vorrichtung, wenn als Anatomiemodell ein Wirbelsäulenmodell verwendet wird. Durch Abkühlung der Suspension ändert sich deren Aggregatzustand aus einer flüssigen Suspension in eine gelee- oder galertartige Matrix, die das menschliche oder tierische Gewebe nachahmt. Ist die Matrix aus mehreren Schichten aufgebaut, wird in vorteilhafter Weise auf die mit dem eingebetteten Anatomiemodell verfestigte Matrix eine oder weitere Schichten verflüssigter Matrix aufgetragen und diese aushärten gelassen. Vorteilhaft kann anstelle einer flüssigen zweiten bspw. "Hautschicht", diese Schicht auch separat in einem eigenen Formkasten oder separat in einem Wärmebehälter hergestellt werden, um diese dann nach dem Aushärten auf eine mit dem eingebetteten Anatomiemodell hergestellte Matrix aufzulegen. Nach der Simulation oder dem Training an dem Anatomiemodell kann dann die separat aufgelegte Schicht wieder abgenommen werden, um die Matrix mit dem darin eingebetteten Modell zu verflüssigen, um das Modell zu ersetzen. Dies hat den Vorteil für den Austausch des Modells, das sich beim Verflüssigen der Matrix sich die aufeinander folgenden Schichten mit unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften sich nicht vermischen, wodurch die Matrix und die darauf liegende Schicht mehrmals verwendet werden können. Anstelle der thermischen Einwirkung auf die Suspension bzw. auf die Matrix, kann diese auch wie oben beschrieben chemisch in die unterschiedlichen Aggregatzustände überführt werden. Mit dem in die Matrix eingebetteten Anatomiemodell ist dieses für Trainings- oder Simulationszwecke im Sinne der vorliegenden Erfindung bereit. Nach dem Training, nämlich nach dem Setzen von beispielsweise Pedikelschrauben oder Pins in das Anatomiemodell, kann das zumindest teilweise „verbrauchte“ Anatomiemodell oder auch nur Teile davon durch Verflüssigung der Matrix, wie oben beschrieben, aus der Matrix herausgehoben und durch eine neues Anatomiemodell oder durch neue Komponenten ersetzt werden und die Matrix erneut verwendet werden. Dieser Vorgang findet vorzugsweise in dem Wärmebehälter statt, alternativ kann aber auch eine Formkasten verwendet werden, in den die verflüssigte Matrix oder die Suspension zum Aushärten mit dem darin eingelegten Anatomiemodell gegossen wird. Ist der Formkasten, der Formbehälter oder der Wärmebehälter transparent ausgestaltet, kann die Matrix mit dem darin eingebetteten Anatomiemodell in diesem verbleiben, um an diesem zu trainieren und um die genannten Röntgeneffekte darzustellen zu können. Ist die Matrix in einem Edelstahl Wärmebad oder Edelstahl Behälter hergestellt, ist es vorteilhaft die Matrix mit dem darin eingebetteten Anatomiemodell aus dem Bad oder dem Behälter zu nehmen, um daran zu trainieren.
Um einem Anwender die Herstellung der Matrix zu erleichtern, besteht diese vorteilhaft aus einem vorgefertigten Stoffgemisch, bzw. aus einer Auswahl an Stoffgemischen, welche lediglich in den zuvor mit Wasser befüllten Formbehälter, welcher sich in dem mit Wasser befüllten Wärmebehälter befindet, geschüttet werden müssen. Dabei ist lediglich das Volumenverhältnis des Wassers zu dem Stoffgemisch vom Anwender zu beachten. Das Stoffgemisch muss kurzzeitig in kaltem Wasser oder in kühler Umgebung aufgrund von quellendem Inhaltsstoff aufquellen. Das Quellen kann vorzugsweise wie oben beschrieben durch thermische Einwirkung in einem Wärmebehälter stattfinden. Zusammengefasst muss der Anwender das vorgefertigte Stoffgemisch mit kaltem Wasser vermischen, dieses kurz quellen lassen und dann in selbigem Behälter/Speisenwärmerbehälter erhitzen bis Verflüssigung eintritt. Danach kann das neue Modell eingesetzt werden. Wird die Matrix aus einem transparenten elastischen Kunststoff hergestellt ist diese kühle Umge- bung/kühles Wasser selbstredend nicht notwendig. Vorteilhaft, da besonders anwenderfreundlich, kann die fertige Matrix auch direkt geliefert werden mit einem darin eingebetteten ersten Modell. Auf diese Weise erspart sich der Anwender die Erstverarbeitung mit dem Stoffgemisch. Um an deformierten Anatomiemodellen trainieren zu können, können von dem Trainingskit bzw. von der erfindungsgemäßen Vorrichtung bereits verschiedene Pathologiemodelle umfasst sein, wie beispielsweise Pathologiewirbelsäulen mit Osteophyten, Frakturen, Wirbelgleiten oder Skoliosen. Um einen Austausch einzelner Wirbelkörper zu ermöglichen und diese mit den verbleibenden Komponenten des Anatomiemodells zu verbinden, eignen sich vorteilhaft elastische Klebeverbindungen der einzelnen Wirbelkörper an deren Facettengelenken.
Schließlich ist ein weiterer Erfindungsaspekt der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Simulation, zum Trainieren, Unterrichten und/oder Evaluieren von Operationstechniken unter Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung und/oder des erfindungsgemäßen Trainingskits.
Um hier Wiederholungen bezüglich der Vorteile der erfindungsgemäßen Verfahren zu vermeiden, wird auf die Beschreibung der vorteilhaften Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Trainingskits verwiesen und es wird vollumfänglich auf die Offenbarung durch diese Beschreibung zurückgegriffen und umgekehrt.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele:
Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend mit der Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein. Dabei ist zu beachten, dass die in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele nur beschreibenden Charakter haben und diese nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken.
Es zeigen:
Fig. 1 in einer perspektivischen Ansicht ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit in einer Matrix eingebetteten Wirbelsäulenmodell der unteren Wirbelsäule mit Beckengürtel, Fig. 2 in einer perspektivischen Darstellung A von vorne und B schräg in Draufsicht von vorne eine Komponente mit Marker, und
Fig. 3 in einer perspektivischen Ansicht ein verwendetes Trainingskit, dass in einem Wärmebehälter recycelt wird.
Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung 10 in Form eines chirurgischen Trainingssimulators. Der chirurgische Trainingssimulator besteht aus einem transparenten oder farbigen Wirbelsäulenanatomie-ZPathologiemodell 1 , das in eine transparente oder farbig transparente, menschliches Gewebe nachahmende Matrix 2 eingebettet ist. Jede knöcherne Wirbelsäulenkomponente 7 des Anatomiemodells 1 weist einen Stab auf, an dessen Domfortsatz 3 jeweils ein Marker 3 (s. Detailansicht Figur 2) angeordnet ist und der Wirbelsäulenkomponente 7 spezifisch zugeordnet werden kann. Die Marker 3 ragen teilweise aus der Matrix 2 nach posterior heraus. Entgegen der Darstellung können die Marker 3 auch in anterior Lage an den Wirbelsäulenkomponenten 7 angeordnet werden. Grundsätzlich ist jede Lage der Marker 3 an der Wirbelsäulenkomponente 7 denkbar, soweit der Marker 3 optisch erfasst werden kann und sich aus der bekannten Position des Markers 3 an der Komponente 7 andere Ansichten der Komponente 7 errechnen und visualisieren lassen. Wie in Figur 2 dargestellt, wird der Marker 3 beispielsweise wie in Fig. 2 A mit der Lage der Komponente 7 erfasst bzw. getrackt und diese kann dann wie in der in Fig. 2 B dargestellten Position oder Drehung visualisiert werden. Dabei ist jegliche Visualisierung der anhand des Markers 3 getreckten Komponente 7 darstellbar bzw. mittels Software berechenbar. Die Marker 3 sind vorteilhaft durch einen QR-Code oder ein anderes Bildzeichen individualisiert. Ein Tiefenkamerasystem als optisches Erfassungssystem 4 in Form eines mobilen Endgerätes, vorliegend in Form eines Smartphones, ist auf einem Stativ 5 vor dem in die Matrix 2 eingebetteten Anatomiemodell 1 angeordnet. Alternativ zu einem fest positionierten Stativ 5 ist die Anordnung einer auf einer Schiene verfahrbaren Kamera denkbar (hier nicht dargestellt). Mit dem Tiefenkamerasystem 4 kann die Bewegung jeder einzelnen knöchernen Wirbelsäulenkomponente 7 und die Bewegung eines mit einem Marker 3 versehenen Instruments, beispielsweiser einer Schraube oder eines Pins verfolgt werden. Neben dem einen Tiefenkamerasystem 4 können auch weitere Tiefenkameras 4, beispielsweise in Form von mehreren Smartphones montiert werden, die gemeinsam die Bilder der Wirbelsäulenkomponenten 7 und/oder des Instruments anhand der daran angeordneten Marker 3 liefern.
Eine Verarbeitung und Visualisierung der gewonnenen Daten kann auf dem Smartphone-Gerät selbst erfolgen oder über Kabel oder Wi-Fi auf einen externen Monitor gespiegelt werden. Alternativ kann die Visualisierung auf einem Computer mit externer Kamera oder Tiefenkamera erfolgen.
Die Aufnahmen durch die Tiefenkameras 4 folgen dem nachfolgend beschriebenen Grundprinzip. Die oder mehrere Kameras 4 nehmen die laterale Ansicht des Wirbelsäulenmodells auf und tracken die den Wirbelsäulenkomponenten 7 zugeordneten Marker 3 und geben auf dem Anzeigegerät dazu passend eine virtuelle axiale Ansicht der gewünschten Wirbelsäulenkomponente 7 aus.
Diese Umsetzung der lateralen Ansicht in die axiale Ansicht ermöglicht ein besseres Abschätzen wo genau die Pedikelschraube oder ein Pin gesetzt werden müssen. Je nach Wunsch kann die virtuelle laterale oder axiale Ansicht des Wirbelkörper oder -komponenten 7 ein und ausgeblendet werden.
Die Marker 3 geben somit immer die Position eines Wirbelkörpers oder eines Instruments an, an dem vorteilhaft auch ein Marker 3 angeordnet ist. So kann beispielsweise, wie bereits oben beschrieben, auch an einer Pedikelschraube oder an einem Pin, oder an Instrumenten, mit denen ein Eingriff in das Anatomiemodell vorgenommen wird, ein Marker 3 angeordnet werden, der von dem Kamerasystem 4 getrackt werden kann und über ein dazu passendes virtuelles Modell auf dem Anzeigegerät oder einem Bildschirm wiedergegeben werden kann. Spezielle Software unterstütze Einstellungen, wie zum Beispiel die Option [X-Ray] sorgen für einen Schwarz-weiß Filter mit Rauschen und Vignettierung(=image post processing). Natürlich sind auch andere Filter oder Kombinationen von Filtern denkbar, um ein virtuelles Modell vorzugsweise mit visualierten Röntgeneffekt auf einem Anzeigegerät darzustellen.
Über den Schwarz-weiß oder einen anderen kontrastreichen Filter kann in Kombination mit der transparenten Matrix und dem RGB-Led-Strahler 6 durch unterschiedliche Lichtbrechung zwischen der Matrix 2 und dem transparentem Wirbelsäulenmodell 1 ein realistischer Röntgeneffekt erzielt werden.
Der Röntgeneffekt entsteht also vorteilhaft beim Durchleuchten der Gewebe nachahmenden Matrix 2 mit weißem, grünem oder blauem Licht und der zu der Brechung des Lichts an der Matrix 2 unterschiedlichen Lichtbrechung am transparenten Wirbelsäulenmodell 1. Wie bereits beschrieben ist dafür der Einsatz sämtlicher Lichtquellen, wie beispielsweise LED, RGB-LED, Halogen oder beispielsweise Neon oder eine Kombination aus den zuvor nicht abschließend aufgezählten Lichtquellen, also weiße oder farbige Lichtquellen jeglicher Art, möglich.
Um den Röntgeneffekt noch zu verstärken, kann die transparente Matrix 2 schwarz oder blau oder andersfarbig mittels Farbstoff getönt sein, d.h. schwarz oder blau oder andersfarbig getönt sein. Es können neben den genannten Tönungen sämtliche dunkle, kräftige Tönungen der Matrix 2, beispielsweise in grün oder violett eingesetzt werden. Eine schwarze, blaue oder violette Tönung der Matrix 2 hat den Vorteil, dass die Matrix 2 mit dem darin eingebetteten Anatomiemodell auch ohne Bildnachbearbeitung und ohne kameraunterstützte Visualisierung wie ein dreidimensionales Röntgenbild zum Anfassen erscheint. Auch über einen bereits näher erläuterten X-Ray Kamera Filter kann ein Röntgeneffekt erzielt werden. In Kombination mit den zuvor genannten Methoden kann der Röntgeneffekt noch verstärkt werden.
Es ist jedoch nicht zwingend notwendig, die Matrix 2 zu färben, um einen Röntgeneffekt zu erzielen, sondern die transparent ungefärbte Matrix 2 kann auch mittels bspw. lila oder dunkelblauem Licht durchleuchtet werden.
Ein weiterer Röntgeneffekt kann dadurch erzeugt werden, indem der Formkasten, Formbehälter oder der Wärmebehälter dunkelgetönt und von einem LED-Strahler 6 oder einer anderen Lichtquelle durchleuchtet wird. Das in in dem Formkasten, Formbehälter oder Wärmebehälter in einer transparenten Matrix 2 eingebettete transparente Anatomiemodell 1 erscheint dann in einem 3D-Röntgeneffekt.
Es sind also mehrere Röntgeneffekt-Variationen möglich, wobei eine Verstärkung des Röntgeneffekts vorteilhaft durch eine Kombination aus zumindest zwei der zuvor genannten Methoden zur Erzielung des Röntgeneffekts noch verstärkt werden kann. Zusammenfassend und erfindungsgemäß für die genannten Methoden ist die Tatsache, dass der Röntgeneffekt ohne den Einsatz von Röntgenstrahlung erzielt werden kann.
Schließlich zeigt Figur 3 das in Figur 1 dargestellte und verwendete Ausführungsbeispiel, das nach dem Training oder der Simulation in einem Wärmebehälter 9 in einem Wasserbad 11 eingesetzten Form 8, die anders als in der Figur dargestellt, die Größe und die Form der Matrix 2 mit dem darin eingebetteten Anatomiemodell 1 aufweist, recycelt wird. Für das Recycling bzw. die Wiederverwendung der Matrix 2 und das Ersetzen des Anatomiemodells 1 oder nur von einzelnen Komponenten 7, wird das Wärmebad 11 mittels des Wärmebehälters 9 erhitzt, wodurch sich die in den Formbehälter 8 eingelegte Matrix 2 verflüssigt. Nach dem Verflüssigen der Matrix 2, kann das Anatomiemodell 1 oder die verwendeten Komponenten 7 aus der verflüssigten Matrix 2 und dem Formbehälter 8 gehoben werden und können durch ein neues Modell 1 oder neue Komponenten 7 ersetzt werden, indem diese in die flüssige Matrix 2, d.h. in die zu einer Suspension verflüssigten Matrix 2, eingesetzt werden. Durch Beendigung des Erhitzens des Wasserbades 11 mittels des Wärmebehälters 9 oder durch Entfernen des Formbehälters 8 aus dem Wärmebehälter 9 ändert die Matrix 2 den Aggregatzustand von flüssig in fest, so dass das neue Anatomiemodell 1 oder die ausgetauschten Komponenten 7 in die verfestigte Matrix 2 eingebettet sind. Für das nächste Training oder eine Simulation kann nun die verfestigte Matrix 2 mit dem darin eingebetteten Anatomiemodell 1 aus dem Formbehälter 8 genommen werden. Dieser Vorgang kann beliebig oft wiederholt werden.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung (10) zur Simulation, zum Trainieren, Unterrichten und/oder Evaluieren von Operationstechniken, insbesondere für die Wirbelsäulenchirurgie, umfassend, zumindest eine menschliche oder tierische Gewebe nachahmende Matrix (2), ein aus zumindest zwei Komponenten (7) zusammengesetztes Anatomiemodell (1 ), insbesondere ein Knochenmodell, welches in der Matrix (2) eingebettet ist, und wenigstens ein optisches Erfassungssystem (4), wobei das optische Erfassungssystem (4) eine Bewegung der Komponenten (7), insbesondere bei einem manuellen Eingriff in das Anatomiemodell (1 ), verfolgt und auf zumindest einem Anzeigegerät (4) visualisiert.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass an den Komponenten (7) Marker (3) angeordnet sind, wobei über das Erfassungssystem (4) anhand der Marker die Bewegung der Komponenten (7) verfolgt und/oder auf einem Anzeigegerät die Position der optischen Erfassung oder zumindest eine dazu unterschiedliche Position visualisiert werden kann.
3. Vorrichtung (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Matrix (2) aus zumindest einem reversibel verflüssigbaren und aushärtenden farblosen oder farbigen Material oder einer Kombination aus zumindest zwei Materialien gebildet werden kann, wobei zumindest ein Material reversibel verflüssigbar und aushärtbar ist, und zumindest nach dem Aushärten zumindest teilweise transparent ist.
4. Vorrichtung (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Anatomiemodell (1 ) zumindest abschnittweise transparent ausgestaltet ist, insbesondere aus einem transparenten Material oder einer Kombination aus zumindest zwei Materialien ausgestaltet ist, wobei zumindest ein Material transparent ist. Vorrichtung (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Erfassungssystem (4) zumindest eine Kamera und/oder ein Tiefenkamerasystem, insbesondere in Form eines Smartphones, umfasst. Vorrichtung (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, gekennzeichnet durch zumindest eine Lichtquelle (6), die die transparenten Abschnitte der Matrix (2) und/oder die transparenten Abschnitte des Anatomiemodells (1) derart durchleuchtet, dass aufgrund der unterschiedlichen Brechungsindizes der transparenten Abschnitte des Anatomiemodells (1), der transparenten Abschnitte der Matrix (2) und/oder der Lichtundurchlässigkeit von Implantaten und Instrumenten ein visualisiertes dreidimensionales Röntgenbild des Anatomiemodells (1 ) entsteht. Vorrichtung (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Matrix (2) aus einem vorkonfektionierten Stoffgemisch durch Zugabe von Flüssigkeit zur Herstellung einer Suspension mittels Energiezufuhr und anschließender Energieabfuhr durch Veränderung des Aggregatzustandes der Suspension hergestellt werden kann. Vorrichtung (10) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Anatomiemodell (1 ) in die Suspension oder in die durch Energiezufuhr verflüssigte Matrix (2) eingelegt werden kann und/oder das Anatomiemodell (1 ) aus der verflüssigten Matrix (2) entfernt werden kann, um dieses durch ein neues Anatomiemodell (1) durch Einsetzen in die verflüssigte Matrix (2) zu ersetzen. Vorrichtung (10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der optische Röntgeneffekt des visualisierten Röntgenbildes durch Bildnachbearbeitung und/oder die Verwendung einer mittels Farbstoff getönten transparenten Matrix (2) verstärkt werden kann. Trainingskit zur Simulation, zum Trainieren, Unterrichten und/oder Evaluieren von Operationstechniken, insbesondere für die Wirbelsäulenchirurgie, mit zumindest einer Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, umfassend wenigstens ein oder mehrere Formbehälter (8) und/oder Wärmebehälter (9), zumindest ein aus wenigstens zwei Komponenten (7) zusammengesetztes Anatomiemodell (1 ), wobei die Komponenten (7) zumindest abschnittsweise aus einem transparenten und/oder farbigen Material ausgestaltet sind, zumindest eine menschliche oder tierische Gewebe nachahmende transparente Matrix (2), insbesondere in Form eines Stoffgemisches mit vorgegebenen Mischungsverhältnis. Trainingskit, zusätzlich umfassend Marker (3) zur Anordnung an den Komponenten (7) des Anatomiemodells (1 ), wobei die Position jeder Komponente (7) anhand eines Erfassungssystems (4), welches die Marker (3) erfasst, spezifisch anhand des an der Komponente (7) angeordneten Markers (3) bestimmt werden kann und eine gewünschte Ansicht der Komponente (7) berechnet und dargestellt werden kann.
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